1. 文章信息

标题： Molecular Engineering of Vibronic Coupling Enables High-Temperature Solar–Thermal Conversion in an Organic Material 

中文标题： 通过分子工程调控有机材料中的电子振动耦合实现高温太阳能光热转换   

页码：   e9694160   

DOI：   10.1002/anie.9694160      

2. 文章链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.9694160

3. 期刊信息

期刊名： Angewandte Chemie International Edition

ISSN：  1433-7851  

2026年影响因子：  17.6  

分区信息： JCR 1区，新锐分区1区  

涉及研究方向：  有机光热材料   

4. 作者信息：第一作者是 徐赫、刘宇瀚、姜旭生 。通讯作者为  秦安军教授、胡斌教授、翟亚新教授  。

5.推荐产品型号：CEL-S500-T5

一、研究背景

太阳能作为地球上最丰富的可再生能源之一，其高效利用对于应对化石能源危机和实现碳中和目标具有重要意义。作为实现太阳能-热转换的载体，新型光热材料的开发至关重要。近年来，有机光热材料因其出色的结构可调性、可加工性和生物相容性得到了广泛的关注。然而，关于此类材料的研究仍主要集中在光热治疗和海水淡化等领域，其工作温度普遍低于150 °C，远不能满足以聚光太阳能发电技术为代表的高温应用场景的需求。这主要归因于有机材料在太阳光吸收能力、光热转换效率和热稳定性等方面的局限。目前，虽然有个别有机固态光热材料在近红外激光照射下展现出非凡的升温能力，但在太阳光照射下实现超过300 °C的升温仍鲜有报道。同时，有机高温太阳能-热转换材料的设计策略、构效关系及光热转换机制尚不清晰，制约了其进一步发展和应用。

二、结果与讨论

1. 光物理性质与太阳能-热转换性能

针对上述挑战，本研究通过分子工程策略，开发了一种通过乙炔基π桥扩展的给受体型（D-≡-A-≡-D）材料BTDyA，相较于传统的D-A-D型分子BTDA，乙炔基基团的引入显著增大了分子的摩尔吸光系数。更有趣的是，BTDyA还具有更宽的固态吸收光谱（250-1500 nm），有助于其利用更多的太阳能。在户外聚光太阳光（18 suns）的照射下，BTDyA可以达到330 °C，是已报道的有机太阳能光热材料中的最高值。（图1）

图1. BTDyA、BTAyA和BTDA的化学结构、溶液和粉末吸收光谱、热稳定性以及太阳能-热能转换性能。

2. 激光下的光热转换性能及光热转换效率对比

为排除太阳光谱复杂性对机理研究的干扰，研究进一步采用单色激光考察材料的光热行为。在1064 nm激光照射下（1.8 W/cm2），BTDyA粉末可在60秒内达到377 °C的高温，而BTDA仅升温至59 °C。（图2）为此，研究团队建立了一种能量衡算方法用以解释这种巨大差异。计算结果表明，BTDyA在1064 nm激光下更为优异的光热转换性能源于其更强的光吸收能力和更高的光热转换效率。

图2. BTDyA、BTAyA和BTDA在近红外激光照射下的光热转换性能。

3. 光热转换机理研究

随后，研究通过飞秒瞬态吸收光谱揭示了激发态弛豫动力学的本质差异。BTDyA的激发态吸收信号随时间显著红移，表明其激发态构象快速重排，有利于能量耗散。动力学拟合显示，BTDyA的激发态寿命更短，证明乙炔基桥的引入大幅加速了非辐射衰减过程。（图3）更为关键的是，光致拉曼光谱在功率依赖性实验中显示，BTDyA在分子骨架振动、C–N伸缩和晶格声子模式中均表现出最强的功率增强效应。（图4）这表明光激发后BTDyA产生了最剧烈的分子振动和晶格声子，从而通过更强的电子-振动耦合与电子-声子耦合将光子能量转化为分子振动能，表现出更高的光热温度。

图3. 光热转换机理研究：BTDyA、BTAyA和BTDA的瞬态吸收光谱及其激发态衰减动力学曲线。

4. 太阳能-热转换与存储应用

最后，受聚光式太阳能发电（CSP）技术启发，研究团队将BTDyA以光热涂层形式负载于石英片上，在户外聚光太阳光（1.8 W/cm2）照射下，器件迅速升温至330 °C，成功驱动太阳盐熔融。撤去光照后，含盐器件在220 °C附近出现明显的温度平台，冷却速率低于无盐对照组，表明相变潜热有效存储了太阳能并在降温阶段缓释。（图5）该应用演示凸显了有机高温太阳能光热转换材料在集成于聚光太阳能发电系统以及可再生能源利用中的巨大潜力。

图4. 光热转换机理研究：BTDyA、BTAyA和BTDA的拉曼光谱及其拉曼信号强度随激发光强度或温度的变化。

图5. 户外聚光太阳光高温光热转换及存储应用。

三、总结与展望

本研究通过分子工程策略，成功开发了一种具有D-≡-A-≡-D结构的有机高温太阳能-热转换材料BTDyA。该材料在聚光太阳光下达到了330 °C的光热温度，远超现有有机太阳能-热材料的工作温度范围。通过系统的光物理与光谱学研究，揭示了其优异性能源于更宽的太阳光谱吸收、超快激发态衰减以及增强的电子-振动/电子-声子耦合。基于此机制理解，研究还建立了理想条件下的理论温升模型，为评估光热材料性能提供了定量工具。最终，该研究展示了BTDyA在太阳能-热转换与相变储热一体化系统中的可行性，为有机材料在聚光太阳能发电等高温可再生能源技术中的应用开辟了新路径。总之，这项工作不仅为有机光热材料从低温向高温领域的跨越提供了一种分子设计策略，更为此类材料的高温光热转换机理阐述提供了重要见解，有望推动有机高温光热材料在可再生能源利用与极端工况应用等领域中的进一步发展。